Der Einfluss des Zahndurchbruchs auf die Knochenentwicklung im Bereich der Zahnanlagen der Unterkiefer-Molaren der Maus

Abstract

Die morphologische Entwicklung des Alveolarknochens, der die Zahnkeime und später die Zahnwurzeln beherbergt, kann als Modell zur Klärung allgemeiner Fragen der Alveolarknochenbildung dienen. In diesem Zusammenhang zielte diese Studie darauf ab, die möglichen Wechselwirkungen zwischen der Alveolarknochenbildung und dem Zahndurchbruch mithilfe von Finite-Elemente-Methoden (FEM) zu untersuchen und herauszufinden, ob die expandierenden Zahnkeime mechanische Scherspannungen erzeugen, die zur Bildung des Alveolarknochens beitragen. Aus histologischen 3D-Daten der Köpfe von Mäusen (C57 Bl/6J) wurden mit Hilfe der Rekonstruktionssoftware 3-Matic geometrische 3D-Oberflächenmodelle erstellt, die von den embryonalen (E) bis zu den postnatalen (P) Stadien E15 bis P20 reichten. Knochen, Dentin, Zahnschmelz und Zahnfollikel um die Zahnkeime wurden erzeugt und die Gesamtstruktur in 3D-FE-Modelle umgewandelt. Die Modelle wurden in das FE-Softwarepaket MSC.Marc/Mentat importiert. Da Materialparameter für embryonales Dentin, Pulpa, Zahnschmelz, Zahnfollikel und knöcherne Strukturen grundsätzlich unbekannt sind, wurden diese von 1% bis 100% der entsprechenden bekannten Materialparameter für den Menschen variiert und eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Oberflächenbelastungen wurden auf die Außenflächen des Zahnfollikels im Bereich von 0,1 bis 5,0 N/mm²; aufgebracht. Die Validität des Modells wurde analysiert, indem das in einer histologischen Studie ermittelte Aktivitätsmuster des Alveolarknochens mit dem Belastungsmuster aus der numerischen Analyse verglichen wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Variation der Oberflächenbelastung die Verteilung der Scherspannungen gleich und bei Variation der Materialeigenschaften der Hartgewebe der Ort der höchsten Scherspannungen stabil blieben. Der Vergleich der histologisch bestimmten Wachstumsregionen mit der im numerischen Modell berechneten Verteilung der Scherspannungen ergab eine sehr gute Übereinstimmung. Die Ergebnisse liefern einen starken Nachweis für Blechschmidts Hypothese, dass der Knochen im Allgemeinen unter dem Einfluss von Scherkräften gebildet wird.

<strong>Numerical Investigations of Bone Remodelling Around the Mouse Mandibular Molar Primordia</strong><br /> The formation of the alveolar bone, which houses the dental primordia, and later the roots of tooth, may serve as a model to approach general questions of alveolar bone formation. In this respect, this study aimed to investigate the potential interactions between the alveolar bone formation and tooth eruption by using finite element (FE) methods, and to figure out whether the expanding tooth systems induce shear stresses that lead to alveolar bone formation. 3D geometric surface models were generated from the 3D histological data of the heads of mice (C57 Bl/6J) ranging from stages embryonic (E) to postnatal (P) stages E15 to P20 using the reconstruction software 3-Matic. Bone, dentin, enamel and dental follicle around the primordia were generated and converted into 3D FE models. Models were imported into the FE software package MSC.Marc/Mentat. As material parameters of embryonic dentine, pulp, enamel, dental follicle, and bony structures basically are unknown, these were varied from 1% to 100% of the corresponding known material parameters for humans and a sensitivity analysis was performed. Surface loads were applied to the outside surface of dental follicle ranging from 0.1 to 5.0N/mm2. The validity of the model was analysed by comparing the activity pattern of the alveolar bone as determined in the histological study with the loading pattern from the numerical analysis. The results show that when varying the surface loads, the distribution of shear stresses remained same, and while varying the material properties of the hard tissues, the location of highest shear stresses remained stable. Comparison of the histologically determined growth regions with the distribution of shear stresses computed in the numerical model showed a very close agreement. The results provide a strong proof to support Blechschmidt’s hypothesis that the bone in general is created under the influence of shear forces.